Zmienność charakterystyk spektralnych zbóż ozimych i nieużytków porolnych w sezonie wegetacyjnym
Wstęp
W związku ze zmianami strukturalnymi, jakim w ostatnichlatachpodlega polskie rol- nictwo, następują istotne przekształcenia w strukturze użytkowania gruntów. Duża część ziemi uprawnej wypada z użytkowania rolniczego. Takie opuszczone, nie uprawiane przez szereg lat ziemie określane są jako odłogi lub grunty porolne (Balcerkiewicz, 1997).
W bliskiej przyszłości zjawisko powiększania się areału gruntów porolnychbędzie się prawdopodobnie nasilać i istotnego znaczenia nabiera jego śledzenie oraz prognozowa- nie. Poprawna prognoza pozwoli właściwie zarządzać obszarami wiejskimi i podejmo- wać odpowiednie decyzje o kierunku ichrozwoju w nowychwarunkachekonomicz- nych. Porzucenie terenów rolniczych bez właściwego zagospodarowania często może wiązać się z utratą walorów przyrodniczychsiedliska (Van Dijk, 1996a). Obserwację zmian zachodzącychw ekosystemachrolniczych, związanychz wyłączaniem z produkcji części pól uprawnych, może znacznie ułatwić zastosowanie metody teledetekcyjnej, w której wykorzystuje się obrazy satelitarne i lotnicze. Właściwa interpretacja danychtele- detekcyjnychwymaga wcześniejszego poznania charakterystyki spektralnej badanego obiektu, którym może być roślinność porastająca odłogi oraz pola uprawne. Charaktery- styki spektralne sporządza się na podstawie danychzebranychw trakcie polowychpo- miarów odbicia promieniowania fal elektromagnetycznychz różnychzakresów widma za pomocą luminancjometru. W badaniachteledetekcyjnychroślinności powszechnie stosuje się tak zwane wskaźniki wegetacyjne, obliczane na podstawie pomiarów odbicia fal elektromagnetycznycho różnychdługościachod tego samego obiektu w tym samym czasie.
Celem pracy było prześledzenie zmienności charakterystyk spektralnych nieużytków porolnychi trzechozimychupraw zbożowychw sezonie wegetacyjnym, wskazanie ter- minów, w którychzróżnicowanie między nimi jest największe, oraz wskaźników wegeta- cyjnych, które w największym stopniu ułatwiają odróżnienie odłogów od pól uprawnych.
Metoda
Odbicie spektralne od trzechpól uprawnychi dwóchodłogów należącychdo wsi Wysogotowo (N 52° 24’, E 16° 47’) mierzono w 9 terminachw ciągu sezonu wegetacyj-
Przegląd polskichdoświadczeń u progu integracji z Unią Europejską, 2004, Gdańsk, s. 215–220.
nego w roku 2002. Daty wykonania pomiarów spektralnych, fazy rozwojowe, w jakich znajdowały się wówczas rośliny, oraz stopień, w jakim pokrywały glebę, przedstawia ta- bela 1. We wszystkichdziewięciu terminachna każdym polu i odłogu wykonywano trzy pomiary odbicia spektralnego w pięciu losowo wybranychpunktach. Odłogi były poro- śnięte roślinnością o zbliżonym składzie botanicznym, w którym dominowały trawy (tab.
2). Wyniki pomiarów spektralnych uzyskane na odłogach zostały uśrednione.
Odbicie promieniowania słonecznego mierzono przy użyciu luminancjometru polo- wego CIMEL CE 313–21, o polu widzenia wynoszącym 10°, rejestrującego luminancję w pięciu następującychkanałach: 450, 550, 650, 850 i 1650 nm. Głowica luminancjome- tru była zamontowana na ręcznym statywie, na wysokości 250 cm. Pomiary wykonywa- no w dni bezchmurne, w kierunku nadirowym, przy najwyższym położeniu zenitalnym Słońca w danym dniu. Przed rozpoczęciem i po zakończeniu każdej serii pomiarowej re- jestrowano wartość luminancji halonowego wzorca bieli, dzięki czemu dla każdej fali można było obliczyć spektralny współczynnik odbicia (SWO), definiowany jako stosunek
Tabela 1. Fazy rozwojowe trzechgatunków zbóż ozimych(Fr) i stopień pokrycia gleby przez rośli- ny (Pg) w dniach, gdy wykonywano pomiary spektralne w sezonie wegetacyjnym 2002 roku Table 1. Growing stages of winter grain crops (Gs) and ground cover (Gc) on dates of spectral me-
asurements
Gatunki zbóż
18.03. 29.03. 23.04. 02.05. 10.05. 22.05. 04.06. 18.06. 19.08.
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Fr Gs
Pg Gc [%]
Pszenica ozima
Winter wheat 2 44 2 49 2 97 3 100 3 100 5 100 6 99 7 95 – –
Jęczmień ozimy
Winter barley 2 98 2 99 3 100 3 100 5 100 6 100 8 100 8 98 – – Żyto ozime
Winter rye 2 54 2 90 3 96 3 100 5 100 6 100 6 99 8 96 – –
Odłogi
Fallow 2 97 2 100 2 100 3 100 5 100 6 100 6 100 7 100 8 100
Główne fazy rozwojowe zbóż wg BBCH (2002): 2 – krzewienie, 3 – strzelanie w źdźbło, 5 – kłoszenie, 6 – kwit- nienie, 7 – rozwój ziarniaków, 8 – dojrzewanie
Main growing stages of grain crops according to BBCH (2002)
Tabela 2. Gatunki roślin występujące na dwóchodłogach, na którychwykonywano pomiary spek- tralne
Table 2. Plant species on two fallow fields on which spectral measurements were taken
Odłóg 1 Odłóg 2
kostrzewa czerwona (Festuca rubra L. s. s.) mietlica pospolita (Agrostis capiliaris L.) miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.) perz właściwy (Agropyron repens L.)
miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.) miotła zbożowa (Aspera spica-venti (L.) P. Beauv.) samosiewy żyta (Secale cereale L.) przymiotno kanadyjskie (Erigeron canadensis L.) przymiotno kanadyjskie (Erigeron canadensis L.) szczaw polny (Rumex acetosella L.)
całkowitej luminancji obiektu do całkowitej luminancji powierzchni wzorcowej dla okre- ślonej długości fali.
Zdjęcia powierzchni upraw i nieużytków w punktach pomiarowych odbicia spektral- nego wykonano aparatem cyfrowym AGFA ePhoto 1680. Zdjęcia te przetwarzano na- stępnie za pomocą oprogramowania TNTMips w celu obliczenia stopnia pokrycia gleby przez rośliny.
Wyniki
Wyniki pomiarów spektralnychodłogów i trzechupraw zbożowychprzedstawiono w postaci spektralnychwspółczynników odbicia trzechfal elektromagnetycznycho długo- ściach650 nm (SWO650), 850 nm (SWO850) i 1650 nm (SWO1650) oraz obliczonego na ich podstawie wskaźnika wegetacyjnego:
STVI = (SWO1650* SWO650)/ SWO850, (Gardner, 1983).
Zmienność trzechspektralnychwspółczynników odbicia oraz wskaźnika wegetacyj- nego STVI dla trzechupraw zbożowychi średnichwartości dla dwóchodłogów w sezo- nie wegetacyjnym 2002 przedstawia rycina 1.
O wielkości odbicia spektralnego od nieużytków porolnychw ciągu całego sezonu wegetacyjnego decydowało występowanie w polu widzenia luminancjometru suchej, obumarłej masy roślinnej, która w mniejszym stopniu niż zielona roślinność upraw rolni- czychodbijała promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni, a w większym odbijała promieniowanie czerwone i z zakresu środkowej podczerwieni. Na początku sezonu wegetacyjnego, gdy w całej masie roślinnej pokrywającej nieużytki dominowały za- schnięte rośliny z poprzedniego sezonu, odbicie promieniowania czerwonego i z zakresu środkowej podczerwieni od nichbyło w stosunku do roślin uprawnychwysokie i wyno- siło odpowiednio około 9 i 37%, natomiast odbicie fal z zakresu bliskiej podczerwieni przekraczało nieznacznie 20%. W tym czasie odbicie fal czerwonychi z zakresu środko- wej podczerwieni od trzechozimychupraw zbożowychśrednio wynosiło odpowiednio 6,6% i 23,9%, a fal z zakresu bliskiej podczerwieni 36,1%. Wielkość odbicia każdej z trzechanalizowanychfal była zróżnicowana w zależności od gatunku zboża. Rośliny jęczmienia ozimego, krzewiąc się przed zimą intensywniej, na wiosnę są bardziej rozwi- nięte, a ichliście w większym stopniu pokrywają glebę niż rośliny pszenicy i żyta. Pszeni- ca rozpoczyna krzewienie dopiero po przezimowaniu i na początku sezonu wegetacyj- nego jest najsłabiej rozwinięta spośród wszystkichtrzechzbóż ozimych. Uprawa jęcz- mienia ozimego, w której rośliny w największym stopniu pokrywały glebę na początku sezonu wegetacyjnego, najbardziej różniła się spektralnie od odłogów. Wartości współczynników SWO650i SWO1650dla uprawy tego gatunku były ponad dwukrotnie mniejsze, a współczynnika SWO850 ponad dwukrotnie większe niż wartości tych współczynników uzyskane dla nieużytków porolnych. Jednak największe zróżnicowanie wykazywał wskaźnik STVI, którego wartości dla jęczmienia były około 10 razy mniejsze niż dla nieużytków.
Wraz ze wzrostem młodychroślin na nieużytkachi zwiększaniem udziału ichmasy w stosunku do masy suchych roślin odbicie fal czerwonych i z zakresu środkowej podczer- wieni malało, osiągając najniższe wartości w drugiej połowie maja, odpowiednio 4,4 i 29,8%. W tym samym czasie odbicie fal z zakresu bliskiej podczerwieni od nieużytków było najwyższe w ciągu całego sezonu i wynosiło 28,1%. Roślinność trawiasta na nieużyt- kachznajdowała się wówczas w końcu fazy strzelania w źdźbło i ichzielona masa była największa. Zboża rozwijały się szybciej niż trawy i wcześniej, bo w pierwszej połowie maja, osiągnęły fazę strzelania w źdźbło, w której ichbiomasa jest największa. Dzięki tej rozbieżności w tempie rozwoju zbóż i roślinności trawiastej nieużytków, zróżnicowanie spektralne między nimi było w tym czasie bardzo duże. Wartości współczynnika SWO650 jęczmienia były wówczas około 2,5-krotnie mniejsze, a współczynnika SWO850tej upra- wy dwukrotnie większe niż wartości tychwspółczynników dla nieużytków. Znacznie Ryc. 1.Zmienność trzechspektralnychwspółczynników odbicia (SWO650), (SWO850) i (SWO1650) oraz wskaźnika wegetacyjnego STVI dla trzechupraw zbóż ozimychi odłogu w sezonie wege- tacyjnym 2002
Fig. 1.Seasonal variation of reflectance factors (SWO650), (SWO850) i (SWO1650) and vegetation index STVI of three winter grain crops and fallow during vegetation season 2002
większe było zróżnicowanie wskaźnika STVI między zbożami i nieużytkami w tym czasie.
Wartości tego wskaźnika dla jęczmienia ozimego były prawie 14-krotnie, a dla pszenicy i żyta ponad pięciokrotnie niższe niż dla nieużytków. Od momentu rozpoczęcia dojrze- wania traw, co nastąpiło w pierwszej połowie czerwca, wzrastało odbicie fal czerwonych i z zakresu środkowej podczerwieni oraz zmniejszało się odbicie od nieużytków fal z za- kresu bliskiej podczerwieni. W tym samym czasie podobne zmiany w wielkości odbicia spektralnego trzechanalizowanychfal obserwowano u upraw zbożowych. Do zbioru zbóż zróżnicowanie współczynników spektralnych, jak i wskaźników wegetacyjnych między nimi i nieużytkami było małe.
Wnioski
Największe zróżnicowanie między charakterystykami spektralnymi zbóż ozimych i odłogów obserwowano w pierwszej części sezonu wegetacyjnego. Zróżnicowanie to w znacznym stopniu wynikało z dużego udziału w masie roślinnej odłogów zaschniętych roślin z poprzednichsezonów. Sucha masa roślinna w mniejszym stopniu niż zielona masa pochłania fale czerwone i odbija promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni.
Pozbawione wody, obumarłe tkanki roślinne również w istotny sposób zwiększają odbi- cie fal z zakresu środkowej podczerwieni. Dzięki temu większe zróżnicowanie między odłogami i uprawami zbóż wykazywał wskaźnik STVI obliczony na podstawie odbicia fal z wszystkichtrzechwspomnianychzakresów widma. Wielkość zróżnicowania spektral- nego między odłogami i ozimymi uprawami zbóż zmieniała się w ciągu sezonu wegeta- cyjnego wraz z rozwojem roślin. Największe zróżnicowanie spektralne między zbożami ozimymi i odłogami rejestrowano w pierwszej połowie maja, gdy rośliny uprawne znaj- dowały się w fazie strzelania w źdźbło i ichbiomasa była największa. W sezonie 2002 roku był to najdogodniejszy okres do odróżnienia upraw zbożowychod odłogów na pod- stawie odbicia spektralnego.
Uzyskane w trakcie pomiarów polowychcharakterystyki spektralne odłogów oraz upraw rolniczychbędą stanowiły podstawę do opracowania w przyszłości właściwej pro- cedury interpretacyjnej obrazów satelitarnychumożliwiającej identyfikację na nichpól wyłączonychz użytkowania rolniczego, która może znaleźć zastosowanie np. w systemie IACS, wspomagającym dopłaty dla rolników w Unii Europejskiej.
Temporal variation of winter grain crops and fallows spectral characteristics
Summary
Land use structure in Poland has been changing very rapidly recently and these transformations needs to be put under observation. Remote sensing methods could be successfully used for moni- toring of these changes. The aim of this study was to collect spectral characteristics of three winter grain crops and fallow fields and find the best time during the growing season to separate them on the basis of spectral data. During the field campaign spectral characteristics of winter wheat, barley and rye fields were collected. Ground reflectance measurements were carried out using luminancemeter CIMEL CE 313–21. Among four spectral vegetation indices derived from
reflectance factors of red, near-infrared or mid-infrared wavelengths the most useful for distinguish- ing winter grain crop fields from fallow was STVI index. The best time for separate the three winter grain crops from fallow on the basis of spectral data was in the middle of May.
Literatura
Adamczewski K., Matysiak K., 2002, Klucz do określania faz rozwojowychroślin jedno- i dwuliś- ciennych w skali BBCH, Poznań.
Balcerkiewicz S., 1997, Wokół krajobrazu porolnego słów kilka, Przegląd Przyrodniczy 8, 1/2, s.
3–12.
Gardner B.R., 1983, Techniques for remotely monitoring canopy development and estimating gra- in yield of moisture stressed corn. CAMAC Progress Report 83–9, Center For Agricultural Mete- orology and Climatology, The Institute for Agricultural and Natural Resources, University of Nebrasca, Lincoln.
Ripple W.J., 1985, Asymptotic reflectance characteristic of grass vegetation, Photogrammetric Engi- neering & Remote Sensing 5, s. 1915–1921.
Van Dijk G., 1996, Nature conservation and agriculture in Europe, Institut for European Environ- mental Policy, Fundacja na rzecz Rozwoju Polskiego Rolnictwa.
